半导体热电材料电学参数综合测试装置的搭建与应用*

李 理，秦兆慧，胡建民

(哈尔滨师范大学)

0 引言

塞贝克系数、电导率和热导率是衡量半导体致冷材料电学性能优劣的重要参数，在半导体热电材料性能优化与研发过程中电学参数的测试方法已经基本成熟［1］.但是，在材料的生产过程中电学参数的监测过程还存在没有解决的技术问题.

在热电材料的生产过程中(以Bi2Te3基取向固溶体晶棒为例)，通常采用熔炼区熔法生产，区熔过程中由于熔区对材料产生分凝作用从而造成在晶棒材料头、尾的成分偏析使材料的热电性能发生变化.通常情况下晶棒的头、尾部热电性能较差，需要对晶棒的头尾进行截取回收利用，以降低材料的生产成本［2］.如何准确选取最佳的截取位置并得到参数达标的产品是一个难以解决的问题.生产过程中对材料性能的监测，通常采用的方法是先将晶棒切割成小块条形长方晶体颗粒再逐个测量，这种方法虽然测试结果精确，但是耗时费力、效率低下.由于塞贝克系数、电导率和热导率三个参数之间存在着内在的联系，监测其中的一个参数的稳定性即可掌握热电材料所有热电性能的变化.此外，对不同电学参数的测试一般在单独的测试平台进行，必然造成测试设备的重复设置、测试成本提高.为解决热电材料生产和测试过程中存在的上述问题，该文参照国家部颁标准［3］搭建热电材料电学参数测试系统，旨在降低测试成本、提高测试效率和实现生产过程的质量检测功能.

1 综合测试设备的原理与结构

为实现热电材料电学参数的监测，该文使用两探针法测试材料电导率的变化.测试探针的间距可调，从而能够测试热电材料晶棒任意区间的电导率.测试装置如图1(a)所示.

图1(a)中1为测试仪表、电源接入端，2为测试探针，3为待测样品.采用欧姆定律测试原理可以同时实现小块样品的精确测试，测试原理示意图如图1(b)所示.1为测试仪表和电源接入端，2为双刀双掷换向开关，3为待测样品.

为提高塞贝克系数测试效率，本装置采用电位平衡法实现对材料温差电动势率的测量，测量原理示意图如图2所示.图2中K1为单刀开关，K2为双刀开关，K3和K4为双刀双掷开关.标准温差调试电路采用温差代换的方式实现待测样品两端温差恒定［4］.

图1 电导率测试装置示意图

图2 塞贝克系数测试装置示意图

为降低测试设备成本，该文将电导率与塞贝克系数测试装置进行集成装配共用测试电表和电源，将图1中电导率测试端子和图2中的塞贝克系数测试端子通过四相转换开关接入数字万用表和数显电源搭建成热电参数综合测试装置，装配原理示意图如图3所示.如图3可见，测试不同电学参数只需将四相转换开关分别拨至相应的测试端，然后根据不同参数测试需要适当选择数字万用表和电源的相应档位，参照不同参数测试原理和要求进行测试.图3所示的综合测试装置可以另外添加热导率测试端子可以同时实现热导率测试，鉴于热导率测试系统结构的复杂性(如循环水系统和温差测试系统等)，在此装置示意图中没有给出，使用者可以根据实际需要酌情考虑加入.

图3 电学参数综合测试装置示意图

2 测试结果

为验证半导体热电材料综合测试装置的实用性，该文测试了赝三元碳纤维掺杂复合热电材料的电导率、塞贝克系数和热导率.赝三元碳纤维掺杂复合热电材料［5］采用热压法制备，并在惰性气体环境下经300℃烧结30 min，随炉冷却至室温后测试样品的电学参数，相应的测试结果列于表1中.由表1中测试结果可见，经300℃烧结后赝三元碳纤维掺杂复合热电材料塞贝克系数和电导率得到改善，同时降低了材料的热导率，从而热电优值明显提高，这说明一定的烧结温度对提高赝三元碳纤维掺杂复合热电材料的热电性能是有利的.

表1 Bi2Te3基赝三元碳纤维掺杂复合热电材料电学参数测试结果

3 结束语

该文基于热电材料电学参数基本原理搭建半导体热电材料电学参数综合测试装置，一方面可以实现热电材料研发中电学参数的准确测量，降低测试设备制造成本并提高测试效率;另一方面能够实现热电材料生产过程中对材料性能的适时监测.此外，通过测试赝三元碳纤维掺杂复合热电材料的电导率、塞贝克系数和热导率验证了测试装置的实用性.一定温度下的烧结工艺有利于提高赝三元碳纤维掺杂复合热电材料的热电性能.

［1］孟庆国，胡建民，曲秀荣.一种控制热源加热的比较稳态法测定热导率装置［J］.中国科技信息，2014(17):27－28.

［2］荣剑英，赵秀平，李将录，等.p型赝三元温差电材料的研制［J］.人工晶体学报，1993，22(1):15–18.

［3］国家电子工业部标准，SJ2857－88.

［4］胡建民，李理，王月媛.半导体热电材料温差电动势率的测试装置及测试方法.专利申请号:201510028196.X，2015.

［5］刘杨.碳纤维掺杂P型Bi2Te3基赝三元热电材料的制备与性能.哈尔滨师范大学硕士研究生学位论文，2013.